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宇航员在国际空间站成功完成混泥土凝结实验 为太空移民计划开拓道路!

在大约5,000年的时间里,混凝土是人类建筑的主要组成部分。现在,研究人员终于把古老的技术带到了外太空。在国际空间站(ISS)的微重力环境中,科学家们第一次成功地将水泥——混凝土的主要成分——混合在一起。作为一项名为“微重力调查”的水泥凝固实验的一部分,研究人员将水泥的基本构件——三钙硅酸盐、熟石灰和蒸馏水——送到了国际空间站。这些成分随后被混合在袋里,通过一种叫做水合作用的过程,可以使其硬化42天。
                                                                       混凝土产生的微观晶体
结果表明,在微重力环境下混合的水泥确实可以像在地球上一样凝固。但与土制水泥不同的是,太空水泥有一些独特的微观特征。
因为这项新研究是第一个将在太空中混合的水泥与在地球上混合的控制批次进行比较的研究,它为在不同的引力环境中开发更好的制造物质的方法打开了一扇门。如果人类要在未来的岁月里建造一个月球村或火星殖民地,我们可能需要在其他星球上掌握混合水泥。

空间水泥有什么不同?

                                           常规重力(左)和国际空间站的微重力(右)上硬化56天
有趣的是,研究人员发现,空间站缺乏强大的重力,使得空间水泥的密度达到了惊人的一致。与此同时,在地球上,由于重力引起的沉积作用,在控制实验中混合的水泥形成了一个更分层的结构。研究报告的作者,宾夕法尼亚州立大学的工程师亚历山大拉德林斯卡说,空间水泥更均匀的密度实际上应该使它更坚固。但是当涉及到空间水泥时,其他的东西都是不一样的。

研究人员注意到另一个主要的微观差异:太空水泥开发了许多大的空气袋,使其比地球混合的空气更多孔。根据今年早些时候发表在材料前沿杂志上的一篇研究论文,气泡不会上升到新混合的空间水泥的表面,就像它们在地面上一样,浮力很重要。“增加的孔隙度直接影响了材料的强度,”Radlinska在NASA的新闻发布会上说,“但是我们还没有测量出空间形成的材料的强度。”

因此,与地面混合水泥相比,空间混合水泥在密度上更均匀(这使它更坚固),但它也更多孔(使其更弱)。或者,正如Radlinska解释的那样,“我们有相反的效果同时发生!”
为了确定更均匀、更蓬松的空间水泥是否比其混合的兄弟姐妹更强壮,拉德林斯卡说,他们需要在2019年晚些时候销毁这些样本,在完成他们的微观结构分析之后。这将使他们确定在水泥的整体强度中,一致性或孔隙度是否发挥更大的作用。

在其他世界制造水泥

了解地球制造和空间制造的水泥的不同之处在于,它可以帮助研究人员识别和解决重力对水泥制造过程的影响。尽管这在过去的5年里并没有引起人们的关注,但考虑到我们在过去50年里在载人航天领域取得的巨大进步,在我们开始在其他世界使用水泥之前,我们想要知道这些事情。“
在前往月球和火星的任务中,人类和设备需要得到保护,免受极端温度和辐射的影响,唯一的办法就是在这些地外环境中建造基础设施,”Radlinska说。“有一种想法是在太空中建造一种类似混凝土的材料。混凝土非常坚固,比许多材料提供更好的保护。”

从基本的意义上讲,混凝土只是像沙子、碎石、岩石或三者的混合物——粘在水泥上。混凝土的好处是它很便宜,很直接,而且可以形成任何形状或结构来满足特定的需求。“混凝土是一种极好的隔热材料和辐射防护罩,因此它被用来储存核废料。”Radlinska说。“未来在火星和月球上的庇护所需要厚厚的覆盖,但即使是在地球外的极端条件下,也可以有效地使用混凝土粘结剂。”

作为一个额外的好处,用于制造混凝土的碎石和岩石并不一定需要来自地球。因为是水泥把这些聚集在一起,我们应该能够用在其他世界上现成的骨料来创造一种混凝土,比如月球风化层,也就是众所周知的月球尘埃。因为风化层是由出了名的锯齿状和精细的尘埃颗粒组成的,Radlinska说它可能有助于减少孔隙度并增加产生混凝土的强度。

这就是为什么他们已经做了一些关于月球风化层的初步研究。她说,他们目前正在把这项工作提交出版。因此,通过在太空中首次混合水泥,研究人员不仅证明了他们可以做到这一点,而且他们还建立了未来的研究途径,将帮助我们调整空间水泥,以适应我们特定的外星需求。“我们证实了这是可以做到的假设,”Radlinksa说。“现在,我们可以采取下一步行动,寻找特定于空间和不同重力水平的活页夹,从零重力到火星重力,再到两者之间。”

尽管研究人员对具体的粘结剂对空间水泥的作用守口如瓶,但Radlinska说,“我们有几个想法和一个可行的假设,即下一个最好的材料是什么。”我们现在还不能透露这些信息。”
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